核心素養(yǎng)導(dǎo)向的可視化證據(jù)推理模型構(gòu)建

數(shù)字化實驗是實現(xiàn)新技術(shù)與化學(xué)教學(xué)融合的重要手段，是中學(xué)化學(xué)教師培養(yǎng)學(xué)生信息素養(yǎng)的重要途徑[1]。《教育信息化2.0行動計劃》倡導(dǎo)應(yīng)用信息技術(shù)解決教學(xué)、學(xué)習(xí)、生活中問題，并給出了實施路徑，即發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，變革傳統(tǒng)模式，推進(jìn)新技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合。受傳統(tǒng)實驗手段的制約，中學(xué)化學(xué)教師在教學(xué)過程中難以讓學(xué)生捕捉到反應(yīng)現(xiàn)象的細(xì)微變化?！白C明CO2與NaOH溶液反應(yīng)發(fā)生”是借助數(shù)字化手段建構(gòu)實驗可視化思路模型的良好知識載體，教學(xué)中教師基于教材上的原型實驗建立模型后對實際問題進(jìn)行多角度、多方法的實驗探究，可提升學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)是否發(fā)生的認(rèn)知。數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用可使實驗現(xiàn)象可視化。在數(shù)據(jù)采集及處理技術(shù)加持下，學(xué)生可以獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。實驗證據(jù)“可視化”有利于他們深刻理解化學(xué)反應(yīng)，發(fā)展證據(jù)推理素養(yǎng)。學(xué)生分析反應(yīng)物消失或新物質(zhì)生成檢驗的實驗設(shè)計思想，在實踐中逐步深化對化學(xué)本質(zhì)的理解，在過程中實現(xiàn)化學(xué)思維進(jìn)階，提升化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。一、建構(gòu)可視化證據(jù)推理模型（一）證據(jù)推理與模型認(rèn)知《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“課標(biāo)”）“內(nèi)容結(jié)構(gòu)”部分，將常見的酸、堿、鹽納入“物質(zhì)的性質(zhì)與應(yīng)用”學(xué)習(xí)主題由“物質(zhì)多樣性”大概念統(tǒng)攝，指出課程的出發(fā)點和落腳點應(yīng)圍繞于設(shè)計活動使學(xué)生主動應(yīng)用物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)實現(xiàn)確定實驗方案→進(jìn)行實驗→基于證據(jù)的分析、推理、討論→得出實驗結(jié)論→實驗?zāi)芰εc思維進(jìn)階。學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了酸、堿、鹽的性質(zhì)及轉(zhuǎn)化，了解定量（測定空氣中氧氣含量、測定溶液的pH等）和定性（檢驗CO2與H2O反應(yīng)生成碳酸、燃燒條件等）兩種常用實驗分析方法。筆者以構(gòu)建“可視化證據(jù)推理”思維模型為載體，幫助學(xué)生掌握應(yīng)用“變化觀”解決實際問題的一般思路與方法，加深學(xué)生對化學(xué)學(xué)科本質(zhì)、科學(xué)探究的理解。在信息技術(shù)的助力下，筆者開展“證明CO2與NaOH溶液發(fā)生反應(yīng)”的實驗教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生在反應(yīng)后、反應(yīng)過程中逐級建構(gòu)、應(yīng)用、迭代對化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)知角度，提升思維能力。（二）數(shù)字化手段1.前置微課教師引入前置微課可提高課堂教學(xué)效率，助力學(xué)生在課堂中快速進(jìn)入深度思維層次。合理利用微課能有效提高教學(xué)效率，將復(fù)雜的教學(xué)內(nèi)容以明晰的邏輯呈現(xiàn)[2]。微課較短，筆者將正課前置內(nèi)容分解為一個或幾個小課以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，使其提前進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)。筆者利用微課1（CO2與H2O反應(yīng)——驗證生成物的產(chǎn)生）、微課2（NaOH溶液與鹽酸的反應(yīng)——驗證反應(yīng)物的消失）以教材上的實驗原型向?qū)W生展示“可視化證據(jù)推理”在學(xué)生化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)發(fā)展中的重要地位，體現(xiàn)“可視化”證明反應(yīng)發(fā)生的思路，引導(dǎo)學(xué)生從典型原型實驗中提取原始的思維模型，為課堂教學(xué)作鋪墊。數(shù)字化實驗的應(yīng)用讓學(xué)生“有備而學(xué)”，有利于學(xué)生提高學(xué)習(xí)效率，拓展實驗探究的時空，形成系統(tǒng)的“變化觀”。2.手持技術(shù)課標(biāo)要求學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)課程能初步學(xué)會運用觀察、實驗等手段獲取化學(xué)事實，運用比較、分類分析、綜合歸納等方法認(rèn)識物質(zhì)變化與化學(xué)反應(yīng)。教師開展物質(zhì)變化與化學(xué)反應(yīng)實驗教學(xué)，有利于提升學(xué)生的科學(xué)思維并培養(yǎng)創(chuàng)新意識。為了讓學(xué)生在理解熟悉的、典型的化學(xué)物質(zhì)的變化中提升化學(xué)核心素養(yǎng)，筆者借助手持技術(shù)實現(xiàn)無明顯現(xiàn)象實驗可視化（如圖1）。化學(xué)學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)是實驗。初中化學(xué)課堂教學(xué)中實驗起著重要的支撐作用，實驗與技術(shù)的發(fā)展是相輔相成的。隨著計算機(jī)技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化手持技術(shù)已經(jīng)成為化學(xué)教學(xué)開展課堂教學(xué)的得力助手[3]。在CO2與NaOH溶液發(fā)生反應(yīng)的實驗中，筆者對于CO2的消失引入手持技術(shù)（壓強(qiáng)傳感器）進(jìn)行測定，引導(dǎo)學(xué)生從定量的角度思考問題、從圖像信息的角度分析推理得出實驗結(jié)論。二、教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)及數(shù)字化準(zhǔn)備（一）教學(xué)內(nèi)容探究CO2與NaOH溶液是否發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)是圍繞核心物質(zhì)CO2（氧化物）、NaOH（堿）、Na2CO3（鹽）的化學(xué)性質(zhì)展開的探究性學(xué)習(xí)。以重要反應(yīng)“CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O”為知識載體發(fā)展學(xué)生對物質(zhì)變化的認(rèn)識角度，從外顯的反應(yīng)現(xiàn)象深入到反應(yīng)物和生成物角度來認(rèn)識化學(xué)變化，建立反應(yīng)物、生成物的物質(zhì)種類、物質(zhì)性質(zhì)、物質(zhì)組成等宏觀的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生與否的認(rèn)識思路，利用化學(xué)變化前后物質(zhì)的性質(zhì)差異說明反應(yīng)物消耗和生成物生成為判據(jù)，推斷無明顯現(xiàn)象的化學(xué)反應(yīng)是否發(fā)生。在解決實際問題、復(fù)雜問題的應(yīng)用中復(fù)習(xí)酸堿鹽的核心知識，在數(shù)字化實驗和傳統(tǒng)實驗結(jié)合的實驗設(shè)計和實施中強(qiáng)化核心物質(zhì)的典型性質(zhì)，綜合建構(gòu)與應(yīng)用“可視化證據(jù)推理”思維模型，逐步提升學(xué)生的科學(xué)思維、深化學(xué)生對酸堿鹽知識的理解能力、提升學(xué)生證據(jù)推理與實驗探究能力，從而在課堂教學(xué)中實現(xiàn)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的落地。（二）教學(xué)目標(biāo)①觀看前置微課，應(yīng)用教材上的經(jīng)典實驗“探究CO2與H2O是否發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)、證明NaOH溶液與鹽酸發(fā)生中和反應(yīng)”，建構(gòu)“可視化證據(jù)推理”的思維模型。②應(yīng)用思維模型來探究CO2與NaOH溶液是否發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，遷移應(yīng)用酸堿鹽的典型性質(zhì)設(shè)計具有明顯現(xiàn)象的實驗來證明反應(yīng)發(fā)生，提升對核心知識的理解與運用能力。③應(yīng)用手持技術(shù)設(shè)計并完成實驗，能從反應(yīng)物消失或生成物消耗的視角判斷反應(yīng)發(fā)生，從定性和定量兩個角度運用思維模型，發(fā)展證據(jù)推理意識。（三）教學(xué)準(zhǔn)備筆者利用前置微課和ClassIn軟件、手持技術(shù)等做好教學(xué)準(zhǔn)備。課前錄制兩個微課：微課1的主題為“建構(gòu)模型——驗證生成物存在”，微課2的主題為“建構(gòu)模型——驗證反應(yīng)物消失”。設(shè)置前置討論：①歸納可視化證據(jù)推理思維模型；②模型的化學(xué)本質(zhì)在于利用物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)設(shè)計有明顯現(xiàn)象的實驗來驗證原本無現(xiàn)象的化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，要求學(xué)生利用ClassIn虛擬實驗室，設(shè)計實驗驗證NaOH溶液與CO2發(fā)生了反應(yīng)，限定實驗角度為“驗證反應(yīng)物消失”，要求其提交實驗裝置圖片（前測）。課堂教學(xué)初始階段，筆者帶領(lǐng)學(xué)生用壓強(qiáng)傳感器測定CO2與NaOH溶液反應(yīng)中的氣壓隨反應(yīng)時間的變化（見表1）。此外，提前制備NaOH溶液和Na2O2反應(yīng)后溶液（NaOH過量）、酚酞溶液、CaCl2溶液、鹽酸、Ca（OH）2溶液、CuSO4溶液等，以及試管、膠頭滴管、CO2傳感器、平板電腦終端等器材。三、教學(xué)過程及模型建構(gòu)難點突破（一）教學(xué)流程筆者以證明CO2與NaOH溶液發(fā)生反應(yīng)的數(shù)字化實驗為載體，建構(gòu)可視化證據(jù)推理模型，需厘清學(xué)生思維盲區(qū)，幫助學(xué)生突破難點。教學(xué)流程如下（如圖2）。（二）教學(xué)實錄：突破重難點1.微課為引，聚焦于學(xué)生自主建構(gòu)思維模型微課1：CO2與H2O發(fā)生反應(yīng)的證明。教師：將CO2通入H2O中發(fā)生反應(yīng)了嗎？學(xué)生：通入前CO2無色氣體、H2O無色液體，通入后有氣泡冒出，液體呈無色。由于沒有明顯現(xiàn)象，無法直觀判斷該反應(yīng)是否發(fā)生。教師：對于證明CO2與H2O反應(yīng)實驗，如何闡明設(shè)計思路？學(xué)生：應(yīng)用物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，驗證生成物存在從而證明反應(yīng)發(fā)生。微課2：NaOH溶液與鹽酸發(fā)生反應(yīng)的證明。教師：將NaOH溶液滴入鹽酸中，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)了嗎？學(xué)生：由于沒有明顯現(xiàn)象，無法直觀判斷是否發(fā)生反應(yīng)。教師：對于檢驗NaOH溶液與鹽酸反應(yīng)實驗，如何闡明設(shè)計思路？學(xué)生：用物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)驗證反應(yīng)物不存在。學(xué)生學(xué)習(xí)前置微課1和微課2初步建立可視化證據(jù)推理思維模型——若反應(yīng)發(fā)生則在化學(xué)變化中證明舊物質(zhì)（反應(yīng)物）消失或新物質(zhì)（生成物）生成。學(xué)生在實驗探究情境中培養(yǎng)證據(jù)推理核心素養(yǎng)，還能提升化學(xué)思維能力[4]，其思維建構(gòu)路徑如圖3所示。筆者設(shè)置前測任務(wù)：設(shè)計實驗裝置證明NaOH溶液能與CO2發(fā)生反應(yīng)（利用ClassIn模擬實驗室）。2.解決問題，完善可視化實驗思維模型筆者展示學(xué)生前測作業(yè)（如圖4），讓學(xué)生討論實驗設(shè)計依據(jù)，并基于證據(jù)推理闡述設(shè)計的優(yōu)點和不足。學(xué)生討論后總結(jié)得出裝置1具有如下優(yōu)點：在裝置密封性良好的情況下，CO2與NaOH溶液反應(yīng)，造成氣體減少，裝置內(nèi)壓強(qiáng)小于外界大氣壓，錐形瓶內(nèi)氣球變大，此裝置基本滿足這一理論的驗證需求。該裝置的不足：CO2能與水反應(yīng)并溶于水，也會導(dǎo)致CO2氣體減少造成干擾，但未設(shè)計對比實驗排除水對實驗的影響。學(xué)生討論后總結(jié)得出裝置2的優(yōu)點：能夠排除裝置1中水的干擾，從對比實驗角度證明CO2與NaOH溶液接觸時消耗更多，從而證明NaOH溶液可與CO2反應(yīng)。該裝置的不足：反應(yīng)時間可能不足，溶解度約為CO2∶H2O=1∶1（體積比），若時間足夠兩支試管都會充滿溶液。學(xué)生歸納后得出結(jié)論：裝置2更能說明問題。手持技術(shù)的應(yīng)用可以直觀地呈現(xiàn)反應(yīng)結(jié)果，使實驗“可視化”。筆者指導(dǎo)學(xué)生利用CO2傳感器進(jìn)行測定（向裝有等量CO2的裝置中，加入等體積H2O和NaOH溶液），得到相對壓強(qiáng)—采樣時間圖像（如圖5）。學(xué)生結(jié)合操作情況，對曲線進(jìn)行解釋。初始階段，加入同等體積的H2O和NaOH溶液后，加入NaOH溶液的裝置壓強(qiáng)小于加入H2O的裝置，說明NaOH與CO2發(fā)生反應(yīng)且反應(yīng)速率較大，CO2在短時間內(nèi)減少很多。后一階段，曲線基本不變表示反應(yīng)停止，NaOH裝置中壓強(qiáng)減小更多，在控制變量條件下能夠證明NaOH溶液與CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。學(xué)生經(jīng)過思考與實踐發(fā)現(xiàn)在微課前測中自己設(shè)計實驗的問題所在。學(xué)生在控制變量法的實際運用中借助手持技術(shù)對實驗進(jìn)行定量研究，完善思維模型，為思維進(jìn)階奠定了基礎(chǔ)。3.自主設(shè)計，應(yīng)用模型解決新情境下的實際問題筆者拋出新情境新問題：若只提供“將CO2通入NaOH后的溶液”（不能確定是否反應(yīng)，若反應(yīng)也不能確定NaOH是否剩余），又如何證明發(fā)生了反應(yīng)？學(xué)生分組討論，填表提出自己的實驗設(shè)計方案（見表2）。學(xué)生可基于思維模型解決新問題，從證明碳酸鈉存在或NaOH不存在兩個角度設(shè)計實驗。筆者為學(xué)生提供試劑引導(dǎo)他們做初步設(shè)計，選取一例進(jìn)行演示（如圖6）。實驗小組在歸納總結(jié)基礎(chǔ)上繼續(xù)填寫實驗表格，進(jìn)行小組間的交流點評。設(shè)計的依據(jù)是什么？學(xué)生討論后明確實驗角度，利用試劑筐中的藥品做實驗，以“使反應(yīng)現(xiàn)象可視化”為據(jù)，推理CO2與NaOH溶液是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。筆者匯總實驗方案并組織學(xué)生分析（如圖7）。學(xué)生在分析中逐步認(rèn)識到證明生成物碳酸鈉的存在需要考慮干擾因素。在CO2與NaOH溶液反應(yīng)后的溶液中可能存在未反應(yīng)完的NaOH，其化學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)堿的通性。由此進(jìn)一步分析：酚酞溶液、NaOH溶液和Na2CO3溶液都可以使實驗中的液體變紅，因存在這些干擾因素，故不能證明發(fā)生了反應(yīng)。對于鹽酸而言，加入足量鹽酸后NaOH的干擾被排除，但若只加入少量鹽酸則會造成無氣體推斷“沒有Na2CO3生成”的假象。對于氫氧化鈣溶液而言，NaOH不與其反應(yīng)，不造成干擾，可以用來檢驗是否生成碳酸鈉。對于硫酸銅溶液而言，其與NaOH和Na2CO3都發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)產(chǎn)生沉淀，NaOH對Na2CO3的檢驗造成干擾，無法證明生成了Na2CO3。學(xué)生綜合應(yīng)用酸、堿、鹽知識解決問題，有利于其深度學(xué)習(xí)，深化對核心知識的理解。學(xué)生在交流點評設(shè)計實驗方案時，筆者利用課堂生成的資源，板演酸、堿、鹽知識網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，建立系統(tǒng)化的知識體系。學(xué)生在應(yīng)用使無明顯現(xiàn)象實驗可視化的思維模型實踐過程中，表現(xiàn)出對新問題的深度思考，理解了“干擾”對證據(jù)推理的影響，提高了對復(fù)雜問題的深入探究能力。4.思維進(jìn)階，換角度應(yīng)用模型“我們設(shè)計的上述實驗都是通過探究CO2與NaOH溶液反應(yīng)后的溶液進(jìn)行認(rèn)知，證明反應(yīng)發(fā)生。能否設(shè)計實驗，在CO2與NaOH溶液的反應(yīng)過程中驗證反應(yīng)發(fā)生？”在筆者的啟發(fā)下，學(xué)生利用ClassIn的虛擬實驗室從裝置角度設(shè)計實驗（如圖8）：證明反應(yīng)過程中CO2減少，判斷CO2與NaOH溶液發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。筆者展示模擬實驗的過程和結(jié)果（如圖9）。教師：A中液面高于B，A中石蕊溶液變藍(lán)等實驗現(xiàn)象，都能用于證明CO2與NaOH溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)了嗎？學(xué)生：A中液面高于B說明，因通過控制變量法設(shè)置了對比實驗，排除了水對實驗的干擾。但A中石蕊溶液變藍(lán)不能說明，因碳酸鈉溶液顯堿性、剩余的NaOH溶液也顯堿性，出現(xiàn)NaOH剩余對實驗造成干擾。5.歸納整理，建立結(jié)構(gòu)化知識體系筆者基于學(xué)生課堂生成情況進(jìn)行歸納整理，引導(dǎo)學(xué)生將知識結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化，建立完善的“可視化證據(jù)推理”思維模型（如圖10）。筆者讓學(xué)生認(rèn)識到運用思維模型時可從定性、定量兩個角度設(shè)計實驗，有意識地借助數(shù)字技術(shù)使無明顯現(xiàn)象實驗可視化。學(xué)生在課后需要完成拓展任務(wù)：解讀“測定空氣中氧氣含量實驗的設(shè)計思路”搭設(shè)腳手架（后測）。四、總結(jié)與反思（一）應(yīng)用數(shù)字技術(shù)引導(dǎo)學(xué)生“做中學(xué)”擴(kuò)展化學(xué)反應(yīng)認(rèn)知視角學(xué)生在以往學(xué)習(xí)中暴露的問題是：運用知識解決問題的能力和獲取證據(jù)的能力較弱，特別是對反應(yīng)現(xiàn)象不明顯的化學(xué)反應(yīng)是否發(fā)生存在困惑。筆者導(dǎo)入前置微課，應(yīng)用虛擬實驗室和手持技術(shù)等數(shù)字技術(shù)，改進(jìn)傳統(tǒng)實驗，提高了實驗教學(xué)的功效。圍繞“應(yīng)用物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)設(shè)計實驗，實現(xiàn)無明顯現(xiàn)象實驗的可視化”讓學(xué)生在“做中學(xué)”提升相應(yīng)的能力。在建立“可視化”實驗證據(jù)推理模型的同時，筆者設(shè)計了干擾因素（有干擾物質(zhì)共存）擴(kuò)大了思維容量。教師應(yīng)重點引導(dǎo)學(xué)生在模型建構(gòu)與應(yīng)用中逐步進(jìn)階思維，使其能從反應(yīng)體系中確定目標(biāo)物質(zhì)的獨有現(xiàn)象來實現(xiàn)實驗?zāi)康?，進(jìn)而擴(kuò)展學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)知視角。（二）大概念統(tǒng)攝下利用可視化證據(jù)推理模型提高學(xué)生能力與素養(yǎng)“證明CO2與NaOH溶液發(fā)生反應(yīng)”是物質(zhì)的性質(zhì)與轉(zhuǎn)化主題大概念統(tǒng)攝下發(fā)展學(xué)生的“變化觀”的重要教學(xué)素材。筆者引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行可視化證據(jù)推理模型的建構(gòu)與應(yīng)用，提高了學(xué)生的多方面的能力與素養(yǎng)。一是提升學(xué)生創(chuàng)新思維：利用密閉空間設(shè)計壓強(qiáng)差進(jìn)行直觀表征。二是形成系統(tǒng)思維：學(xué)生認(rèn)識